[发明专利]基于扰动粒子群优化的SDWSN能耗均衡路由方法

说明书

本发明涉及基于扰动粒子群优化的SDWSN能耗均衡路由算法，属于无线传感器网络领域。该算法首先通过考虑节点的剩余能量、位置和能量均衡信息，利用改进的扰动粒子群优化算法选择簇头，并依据节点距基站距离、节点剩余能量和邻居节点个数将整个网络动态划分为大小不等的簇。其次，采用每周期一轮全局分簇和k轮局部簇头更新方式来节省分簇时的能量消耗。最后，在多跳路由建立时，传感器控制服务器采用集中式方式根据链路能耗、节点剩余能量和簇内节点数等因素构建最短路由树。本发明能有效节约能量和均衡网络能耗、延长网络的生命周期。

技术领域

本发明属于无线传感器网络中的路由协议领域，涉及基于扰动粒子群优化的SDWSN能耗均衡路由算法。

背景技术

传统的无线传感器网络(WSN，wireless sensornetworks)大多专用于单个感测任务的场景，这种特定于应用的WSN在网络部署后，其节点行为和由这些节点所提供的网络功能难以发生改变，导致网络资源利用率低、策略更改困难和网络难于管理等问题。软件定义网络(SDN，software-definednetwork)是一种新型的网络架构，它将传统的网络架构解耦成应用、控制、基础设施三层分离架构，从而带来网络应用可编程、集中式控制、网络设备开销少等好处。SDN在WSN中的应用产生了软件定义无线传感器网络(SDWSN，software-defined wireless sensornetworks)，SDWSN由软件定义传感器节点组成，可根据实时感测请求按需加载不同的程序，动态地重新配置其功能和属性。SDWSN利用了SDN的优点，有机的整合了网内节点的分布式管理机制，实现全网统一的网络管理控制，从而提高WSN的能量利用效率，可有效解决上述问题。

Luo等人第一次将SDN与WSN结合来解决无线传感器网络中的一些固有问题。Gante等人提出了一种基于基站的集中式控制平面的智能无线传感器网络，可实现简单的重配置，以解决传统传感器网络中的资源管理问题。但缺少具体的通信策略、造成基站的成本上升。Huang 等人提出了一种SDWSN原型，以提高环境监控WSN的适应性和能量效率。在SDWSN中，能量高效的路由算法是研究的热点。LiM等人提出了用于软件定义传感器网络(SDSN)的联合路由和资源控制(JRRC)协议，考虑SDSN中路由协议在动态环境的自适应性重新排列路由并实时为新应用和网络服务分配资源以最大化系统吞吐量。Han和Ren提出了一种基于SDN的分簇路由协议，主节点作为整个网络的控制器可以对转发节点进行控制，当转发节点出现能量耗尽、故障等状况时，簇头可以随时调整转发策略，改变转发路径。

在WSN中，LEACH是经典的分簇路由协议，根据一定的概率随机选取节点作为簇头节点，通过簇头的轮换来均衡网络能耗。然而簇头选择的随机性会导致能量过低的节点也可能被选为簇头。HEED依据节点的剩余能量来随机选取一部分候选簇头，然后根据簇内能量消耗代价竞争产生最终簇头使选出的簇头更均匀能量较高。但单跳通信方式导致其用在大规模监控区域时能耗过高。采用多跳方式的均匀分簇网络中，靠近基站的簇头会由于较多的参与数据转发而使其能量快速耗尽。EEUC采用非均匀分簇的方法使得靠近基站的簇拥有较少的成员节点，从而可以节省能量供簇间数据转发使用，均衡了簇头能耗。DEBUC利用节点剩余能量构造的计时广播机制代替EEUC中的竞争机制，节省了簇头竞争时所消耗的能量。但簇头选择采用概率和门限值会导致能量较小节点的无效竞争，且能够继续工作的簇头还需重新分簇造成能量浪费。IPSOCH利用中继节点分担簇头能耗，考虑节点剩余能量和距离信息利用改进的粒子群优化算法选择簇头和中继节点，有效的提高了能量使用效率。然而，在SDWSN的范例中，路由功能在逻辑上集中在控制器上。传统的WSN路由协议采用分布式算法在节点上运行，分簇和路由选择过程需要进行大量的信息交换，增加了网络负担，消耗大量能量，而基于软件定义的WSN中的路由协议如NWPSO-based、SDUCR其簇头能量消耗不均衡，导致能量利用率低、网络生存时间短等问题。

发明内容